【発明の詳細な説明】
二つの構造部品の溶接結合装置
本発明は、互いに向かい合う表面の一部が重なり合っている二つの構造部品を
レーザビームで溶接結合する装置に関する。
二つの構造部品を溶接結合する際、いわゆる突合せ溶接のほかに重ね溶接を採
用することが知られている。互いに結合すべき構造部品が互いに向かい合う表面
の一部で重なり合う重ね溶接は、特にレーザ溶接を採用することが適している。
というのは、高い溶接速度を持つレーザビームによって僅かな熱しか加えられな
いことと共に大きな溶接深さが得られ、これに伴って高い溶接品質が得られるか
らである。重ね溶接の場合、製造技術的および経済的な理由から、互いに結合す
ベき構造部品は一般に互いに間隔を隔てられた多数の点溶接によって結合される
。
レーザビームで点溶接するための装置は例えばヨーロッパ特許第０４４０００
２号明細書で知られている。この公知の装置の場合、レーザ溶接ヘッドは多関節
ロボットアームの自由端に配置される。このようなロボットアームによって、溶
接ヘッドを結合すべき構造部品の表面上に自由に案内し、点溶接のために予め定
められた位置に拘留することができる。このために溶接ヘッドはロボットアーム
によって、両構造部品をそれらの重なり部位で強固に押し合わせる固定要素を介
して位置決めされる。この固定要素は二つのクランプ状締付け要素を有し、その
一つは中央孔を備えている。この中央孔を介してレーザ溶接ヘッドは位置決めさ
れ固定される。これによって構造部品ができるだけ隙間無しに強固に押し合わさ
れている重なり部位の個所で点溶接を行うことができる。そのような多数の点溶
接によって結合強度を確保するために、レーザ溶接ヘッドはロボットアームによ
って互いに間隔を隔てられた多数の締付け要素に順々に移動される。
米国特許第４６５４５０５号明細書において、ロボットアームで案内される単
一のレーザ溶接ヘッドの代わりに、締付け装置に配置され、レーザで発生されて
空間内を自由に伝搬するレーザビームが調整可能な鏡によって時間的に順々に入
射する複数のレーザ溶接ヘッドが知られている。
しかしレーザビームで形成された点溶接は直径が比較的小さく、それゆえ必要
な結合強度は多数の点溶接によってしか確保できない。これはレーザビームで実
施する点溶接の経済性に問題を生ずるほどの高い運転費用を伴う。
ドイツ特許第４３３１８２７号明細書においてボルト結合をレーザビームで形
成された多数のマイクロ溶接点によって補強にする装置が知られている。その多
数のマイクロ溶接点はボルト頭部あるいはナットの周りに設けられている。この
公知の装置の場合、同時に複数のマイクロ溶接点が発生されるように、レーザ溶
接ヘッド内に配置されたビーム分配器によって二つ以上の部分ビームが形成され
る。レーザ溶接ヘッド内において光学装置全体を補助的に回転することによって
、単一の固定レーザ溶接ヘッドによってボルト結合部の周囲に多数のマイクロ溶
接点を設けることができる。
特開昭５８−６８４９２号公報に、レーザビームによる点溶接装置が開示され
ている。この装置の場合、レーザ溶接ヘッド内に偏向・集束光学素子が回転可能
に支持されて配置されている。この偏向・集束光学素子は溶接過程中に回転され
、それにより溶接点が円形線を描き、溶接強度が高められる。
本発明の課題は、互いに向かい合う表面の一部が重なり合っている二つの構造
部品を、非常に経済的に高速で且つ大きな溶接結合強度で溶接結合できるレーザ
溶接法で溶接結合する装置を提供することにある。
本発明によればこの課題は、請求の範囲の請求項１に記載の特徴事項を有する
装置によって解決される。互いに向かい合う表面の一部が重なり合っている二つ
の構造部品をレーザビームで溶接結合する装置は、本発明に基づいて、レーザビ
ームの入口とレーザビームを多数のビーム出口に交互に分配するための装置とを
有する光学的ビーム分配器を備え、各ビーム出口がそれぞれビーム案内装置を介
して光学的にレーザ溶接ヘッドに連結され、このレーザ溶接ヘッド内に、集束さ
れたレーザビームをレーザ溶接ヘッド側の構造部品の表面に案内する集束・偏向
光学素子が配置される。
この処置によって、レーザ溶接ヘッドを動かすことなしに、即ち接合すべき構
造部品を受ける装置に固定されたレーザ溶接ヘッドでも、レーザビームを構造部
品の表面に案内すること、即ち動かすことによって、線状の溶接継ぎ目を形成す
ることができる。換言すれば、レーザ溶接ヘッドの数に相当する数の空間的に互
いに分離された線溶接の代わりに形成することができ、その線形状はレーザ溶接
ヘッド内における集束・偏向光学素子の動きによって予め定められる。これによ
って構造部品の結合強度は高められ、そのために溶接個所の数を増加する必要は
ない。
本発明の有利な実施態様において、溶接ヘッドにはレーザビームを集束するた
めに集束偏向鏡が設けられている。これによって溶接ヘッド内で必要な光学的構
成要素の数が減少する。
特に集束偏向鏡は直線的に移動可能に支持されている。これによって直線的に
延びる溶接継ぎ目が形成される。
本発明の他の有利な実施態様において、レーザビームを集束するためにレンズ
が設けられ、レーザビームの伝搬方向においてレンズの前に、レーザビームの中
心軸線に対して垂直な軸線を中心として揺動可能に支持された平面平行板が配置
されている。これによって同様に直線的に延びる溶接継ぎ目が形成される。
本発明の有利な実施態様において、レンズの前に、レーザビームの中心軸線を
中心として回転可能に支持されたプリズムが配置されている。このようにして円
の形をした線状の溶接継ぎ目が形成される。円の直径が線幅よりかなり大きく選
定されるこの円の形をした線状の溶接継ぎ目によって、実質的に大きな直径の点
溶接が模擬形成され、溶接品質が改善されると共に同じような強度値が得られる
。
ビーム分配器とレーザ溶接ヘッドとの間にビーム案内装置として光ファイバが
設けられていると有利である。これによって、レーザビームが自由に伝搬する装
置に比べてビームの案内が単純化されるので、レーザ溶接ヘッドの場所は非常に
柔軟に選定することができる。
特にビーム分配器内においてレーザビームのビーム通路に揺動可能あるいは移
動可能な転向鏡が配置される。
特に有利な実施態様において、ビーム分配器内においてレーザビームのビーム
通路に、入射するレーザビームの中心軸線を中心として回転できる転向鏡が配置
され、この転向鏡にレーザビームの中心軸線の周りに星形に配置された多数のビ
ーム出口が付属している。これによってビームの分配に必要な可動転向鏡の数が
減少する。
以下、図に示した実施例を参照して本発明を詳細に説明する。
図１は本発明に基づく装置の原理図、
図２は本発明に基づく装置におけるレーザ溶接ヘッドの断面図、
図３および図４はそれぞれレーザ溶接ヘッド内に配置された集束・偏向光学素
子の異なった実施例の概略図、
図５および図６はそれぞれ複数のレーザ溶接ヘッドにレーザビームを分配する
ビーム分配器の異なった実施例を示す。
図１において互いに結合すべき二つの構造部品２、４が締付け装置６の中に配
置されている。両構造部品２、４は互いに向かい合う表面の一部が重なり合い、
この重なり部位において多数の締付け要素８（図には一つしか図示されていない
）によって互いに締付けられている。この実施例において締付け要素８はそれぞ
れ例えば直線ガイド内を移動できレーザ溶接ヘッド１２が固定されているホルダ
１０を有している。直線移動可能なホルダの代わりに空気圧式あるいは液圧式に
揺動できるレバーを設けることもできる。
レーザ溶接ヘッド１２はその端面１３が両構造部品２、４の重なり部位におい
てレーザ溶接ヘッド側の構造部品４の表面に押しつけられ、レーザ溶接を行うべ
き部位において両構造部品２、４の互いに向かい合う表面ができるだけ隙間無し
に接触するようにする。従って締付け要素８は同時に、構造部品４の表面上にレ
ーザ溶接ヘッド１２を位置決めして固定するための位置決め装置として使用され
る。
レーザ溶接ヘッド１２はビーム案内装置１４（この実施例では光ファイバ）を
介して光学的ビーム分配器１８のビーム出口１６に光学的に連結され、その各ビ
ーム出口１６にレーザ溶接ヘッド１２が付属している。光学的ビーム分配器１８
はビーム出口１６の数に相当した数の一列に配置された揺動可能な転向鏡２０を
有している。これらの転向鏡２０によって、レーザによって発生されこの実施例
の場合には自由に導かれるレーザビーム２２が転向鏡２０の揺動位置に応じて種
々のビーム出口１６に分配される。光学的ビーム分配器１８において各ビーム出
口１６にはレーザビーム２２をビーム案内装置１４に入射させる集束光学素子２
４が前置配置されている。
レーザ溶接ヘッド１２はこの実施例において同時に、締付け力を重なり合う構
造部品２、４に伝える締付け要素８の一部として使用される。
図２においてレーザ溶接ヘッド１２は破線で示されているコリメータ光学素子
２７を備えたコリメータ２６を有し、コリメータ光学素子２７においてビーム案
内装置１４の光ファイバから出るレーザビーム２２が平行ビームにされる。コリ
メータ２６の出口には平行ビームにされたレーザビームを９０°偏向する固定偏
向鏡２８が配置されている。コリメータ２６の隣に、レーザビーム２２を集束し
てレーザ溶接ヘッド端面１３に向けて転向する集束偏向鏡３０を有する集束装置
２９が配置されている。集束偏向鏡３０はそれに入射する平行ビームにされたレ
ーザビーム２２の伝搬方向に対して平行に移動可能に集束装置２９内に配置され
ているので、レーザビーム２２によって直線状の溶接継ぎ目が形成できる。その
長さは集束偏向鏡３０の最大直線移動距離によって制限される。集束偏向鏡３０
の直線移動に必要な駆動要素３２も同様に集束装置２９内に配置されている。こ
のような多数のレーザ溶接ヘッド１２を有する締付け装置６によって、構造部品
２、４（図１参照）は互いに縫い合わせ継ぎ目で結合される。
集束装置２９は更に例えば国際公開第９５／０３９１１号明細書で知られてい
るような溶接火口３４を有している。この溶接火口３４は下向きに開いた耐圧ハ
ウジング部分３６に形成されている。このハウジング部分３６は構造部品４の表
面に当てられ、ホルダ１０（図１参照）によってその中に固定された集束装置２
９のハウジングに与えられる締付け力を構造部品４に伝達する。
図３の実施例において、図２における集束偏向鏡３０の代わりに、コリメータ
光学素子２７で平行ビームにされたレーザビーム２２を集束するためのレンズ４
２を備えたレーザ溶接ヘッド４０が設けられている。平行ビームにされたレーザ
ビーム２２のビーム通路内に、即ちレーザビーム２２の伝搬方向において、レン
ズ４２の前に、光透過性の平面平行板４４が配置されている。この平面平行板４
４は平行ビームにされたレーザビーム２２の中心軸線に対して垂直な軸線４６を
中心として揺動可能に支持されている。平面平行板４４の揺動によってレーザビ
ームは構造部品４の表面において直線４８に沿って往復運動できる。
図４の実施例において、平行ビームにされたレーザビーム２２においてレンズ
４２の前に、即ちレンズ４２とコリメータ光学素子２７との間に、レーザービー
ム２２が透過できるプリズム５２が配置されている。このブリズム５２はレーザ
ビーム２２の中心軸線５４を中心として揺動可能に、特に回転可能に支持されて
いる。プリズム５２が３６０°回転することによって、構造部品４上におけるレ
ーザビーム２２の焦点が閉曲線５６、例えば円を描く。
図５において、図１に示されている実施例と異なって、タンデム配置され直線
移動できる多数の鏡６２を有するビーム分配器６０が設けられている。
図６における有利な実施例において、入射するレーザビーム２２の中心軸線を
中心として回転できこの軸線に対して４５°傾けられた転向鏡７２を有している
ビーム分配器７０が設けられている。レーザビーム２２はその転向鏡７２によっ
てビーム分配器７０の周囲に配置されたビーム出口１６に径方向にあるいは星形
に分配される。
符号の説明
２、４ 構造部品
６ 締付け装置
８ 締付け要素
１０ レバー
１２ レーザ溶接ヘッド
１３ レーザ溶接ヘッド端面
１４ ビーム案内装置
１６ ビーム出口
１８、６０、７０ ビーム分配器
２０ （揺動可能な）鏡
２２ レーザビーム
２４ 集束光学素子
２６ コリメータ
２７ コリメータ光学素子
２８、３０ 偏向鏡
３２ 溶接火口
４２ レンズ
４４ 平面平行板
４６ 回転軸線
４８ 直線
５２ プリズム
５４ 中心軸線
５６ 曲線
６２ （移動可能な）鏡
７２ 転向鏡DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Welding joint of two structural parts
The present invention relates to two structural parts in which part of the facing surfaces overlaps.
The present invention relates to an apparatus for welding and joining with a laser beam.
When joining two structural parts by welding, lap welding is used in addition to so-called butt welding.
It is known to use Surfaces where the structural parts to be connected to each other face each other
It is particularly suitable to employ laser welding for lap welding which overlaps with a part of the lap welding.
Only a small amount of heat is applied by the laser beam with the high welding speed.
A large welding depth along with the high welding quality
It is. In the case of lap welding, they are joined together for technical and economic reasons.
Structural components are generally joined by a number of spot welds spaced from each other
.
An apparatus for spot welding with a laser beam is described, for example, in EP 044000.
No. 2 is known. In the case of this known device, the laser welding head is articulated.
It is located at the free end of the robot arm. With such a robot arm, melting
The contact head is guided freely over the surface of the structural component to be joined and is predefined for spot welding.
Can be detained in a designated location. For this purpose the welding head is a robot arm
Through a fastening element that presses both structural parts together firmly at their overlap
Is positioned. This fixing element has two clamping clamping elements, the
One has a central hole. The laser welding head is positioned through this central hole.
Is fixed. This allows the structural components to be pressed together as tightly as possible
Spot welding can be performed at the overlapped portion where it is overlapped. Such a large number of spot melting
In order to secure the bond strength by welding, the laser welding head is
Are sequentially moved to a number of clamping elements which are spaced from one another.
In U.S. Pat. No. 4,654,505, a single arm guided by a robot arm is disclosed.
Instead of one laser welding head, it is located in the clamping device and is generated by laser
A laser beam propagating freely in space is time-sequentially entered by an adjustable mirror.
A plurality of laser welding heads for firing are known.
However, spot welds formed by laser beams are relatively small in diameter and are therefore necessary
A high bond strength can only be ensured by a number of spot welds. This is done with a laser beam.
The operating costs are high enough to cause problems in the economics of spot welding.
German Patent No. 4331827 describes the formation of a bolt connection with a laser beam.
Devices are known which are reinforced by a large number of microwelds formed. Many
A number of micro welds are provided around the bolt head or nut. this
In the case of known devices, laser welding is performed so that multiple micro-welds are generated at the same time.
Two or more partial beams are formed by a beam splitter located in the contact head.
You. By auxiliary rotation of the whole optical device in the laser welding head
Multiple micro welds around bolt joints with a single fixed laser welding head
Contacts can be provided.
JP-A-58-68492 discloses a spot welding apparatus using a laser beam.
ing. With this device, the deflection and focusing optics can be rotated inside the laser welding head
It is arranged to be supported by. This deflection and focusing optic is rotated during the welding process.
Accordingly, the welding point draws a circular line, and the welding strength is increased.
The object of the present invention is to provide two structures in which the parts of the surfaces facing each other overlap.
A laser that can weld parts very economically at high speeds and with high weld strength
An object of the present invention is to provide an apparatus for welding and joining by a welding method.
According to the invention, this task has the features of claim 1.
Solved by the device. Two parts of the surface facing each other overlap
According to the present invention, an apparatus for welding and joining structural parts of a laser beam with a laser beam is used.
And a device for alternately distributing the laser beam to multiple beam outlets.
Beam splitters, each beam outlet being individually connected via a beam guide device
Optically coupled to the laser welding head, into which the focused
And deflection to guide the focused laser beam to the surface of the structural component on the laser welding head side
An optical element is arranged.
By this measure, the laser welding head does not need to be moved, that is, the structure to be joined.
The laser beam is applied to the structure by the laser welding head, which is fixed to the device that receives the parts.
Forming a linear weld seam by guiding it to the surface of the part
Can be In other words, a number of spatially equivalent to the number of laser welding heads.
Can be formed instead of separate line welding, and the line shape is laser welding
It is predetermined by the movement of the focusing / deflecting optical element in the head. This
This increases the strength of the connection of the structural components and therefore the need to increase the number of welds
Absent.
In an advantageous embodiment of the invention, the welding head is used to focus the laser beam.
A focusing deflecting mirror is provided for this purpose. This allows for the required optical structure in the welding head.
The number of components decreases.
In particular, the focusing deflecting mirror is supported movably linearly. This makes it linear
An extended weld seam is formed.
In another advantageous embodiment of the invention, a lens is provided for focusing the laser beam.
Is provided in front of the lens in the direction of propagation of the laser beam,
A plane parallel plate supported so that it can swing about an axis perpendicular to the central axis
Have been. This forms a weld seam which likewise extends linearly.
In an advantageous embodiment of the invention, before the lens, the central axis of the laser beam is
A prism rotatably supported as a center is disposed. This way the circle
A linear weld seam in the form of is formed. The diameter of the circle is significantly larger than the line width.
This circle-shaped linear weld seam, defined by
Simulates welds, improves weld quality and provides similar strength values
.
An optical fiber is used as a beam guide between the beam distributor and the laser welding head.
Advantageously, it is provided. This allows the laser beam to propagate freely.
The location of the laser welding head is greatly reduced because the beam guidance is simplified compared to
It can be selected flexibly.
In particular, the laser beam can be swung or moved in the beam path in the beam splitter.
A movable turning mirror is arranged.
In a particularly advantageous embodiment, the beam of the laser beam in the beam splitter
A turning mirror that can rotate around the central axis of the incident laser beam is placed in the passage
The turning mirror has a number of beams arranged in a star shape around the central axis of the laser beam.
Comes with a room exit. This reduces the number of movable turning mirrors required for beam distribution
Decrease.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the embodiment shown in the drawings.
FIG. 1 shows the principle of the device according to the invention,
FIG. 2 is a cross-sectional view of a laser welding head in an apparatus according to the present invention;
3 and 4 show focusing and deflection optics respectively arranged in the laser welding head.
Schematic diagram of different embodiments of the child,
5 and 6 respectively distribute the laser beam to a plurality of laser welding heads
3 shows different embodiments of a beam splitter.
In FIG. 1, two structural parts 2, 4 to be connected to one another are arranged in a clamping device 6.
Is placed. The two structural parts 2, 4 have a part of their facing surfaces overlapping,
At this overlap, a number of clamping elements 8 (only one is shown in the figure)
). In this embodiment, the fastening elements 8 are each
For example, a holder that can move in a linear guide and has a laser welding head 12 fixed thereto
It has ten. Pneumatic or hydraulic instead of linearly movable holder
A swingable lever may be provided.
The end face 13 of the laser welding head 12 is located at the overlapping portion of the two structural parts 2, 4.
Should be pressed against the surface of the structural component 4 on the laser welding head side to perform laser welding.
Facing surfaces of both structural parts 2 and 4 at the site where
To make contact. The fastening element 8 is therefore simultaneously positioned on the surface of the structural part 4.
Used as a positioning device for positioning and fixing the laser welding head 12.
You.
The laser welding head 12 includes a beam guide device 14 (optical fiber in this embodiment).
Optically connected to the beam outlet 16 of the optical beam splitter 18 via each beam.
A laser welding head 12 is attached to the beam outlet 16. Optical beam splitter 18
Shows the swingable turning mirrors 20 arranged in a row corresponding to the number of beam outlets 16.
Have. In this embodiment, a laser generated by these turning mirrors 20 is used.
In the case of (1), the laser beam 22 guided freely is seeded according to the swing position of the turning mirror 20.
It is distributed to the respective beam outlets 16. Each beam output at the optical beam splitter 18
A focusing optical element 2 for inputting a laser beam 22 to the beam guide device 14 is provided at the opening 16.
4 is arranged in front.
In this embodiment, the laser welding head 12 simultaneously has a structure in which the clamping forces overlap.
It is used as part of a fastening element 8 for transmitting to the components 2,4.
In FIG. 2, the laser welding head 12 is a collimator optical element indicated by a broken line.
A collimator 26 with a collimator optical element
The laser beam 22 emerging from the optical fiber of the inner device 14 is converted into a parallel beam. Stiff
At the outlet of the meter 26, a fixed polarized beam for deflecting the parallelized laser beam by 90 ° is provided.
A turning mirror 28 is arranged. Focus the laser beam 22 next to the collimator 26
Device having a converging / deflecting mirror 30 turning toward the laser welding head end face 13
29 are arranged. The converging / deflecting mirror 30 has a collimated beam incident on it.
The focusing device 29 is disposed so as to be movable parallel to the propagation direction of the laser beam 22.
Therefore, a linear welding seam can be formed by the laser beam 22. That
The length is limited by the maximum linear movement distance of the focusing / deflecting mirror 30. Focusing / deflecting mirror 30
The drive element 32 required for the linear movement of the lens is similarly arranged in the focusing device 29. This
The clamping device 6 having a number of laser welding heads 12 such as
2, 4 (see FIG. 1) are connected to one another by stitching seams.
The focusing device 29 is furthermore known, for example, from WO 95/03911.
It has a welding crater 34 as shown in FIG. This welding crater 34 has a
It is formed on the housing portion 36. This housing part 36 is
Focusing device 2 applied to a surface and fixed therein by a holder 10 (see FIG. 1)
The tightening force applied to the housing 9 is transmitted to the structural component 4.
In the embodiment of FIG. 3, a collimator is used instead of the focusing / deflecting mirror 30 in FIG.
A lens 4 for focusing the laser beam 22 converted into a parallel beam by the optical element 27
2 is provided with a laser welding head 40 comprising Laser collimated
In the beam path of the beam 22, ie in the direction of propagation of the laser beam 22, the lens
A light-transmitting plane parallel plate 44 is arranged before the nozzle 42. This plane parallel plate 4
4 designates an axis 46 perpendicular to the center axis of the laser beam 22 converted into a parallel beam.
It is swingably supported as the center. The laser beam is driven by the swing of the plane parallel plate
The arm can reciprocate along a straight line 48 on the surface of the structural component 4.
In the embodiment of FIG. 4, a lens is formed on the collimated laser beam 22.
Before the laser beam 42, that is, between the lens 42 and the collimator optical element 27,
A prism 52 through which the camera 22 can pass is provided. This breath 52 is a laser
Supported pivotally about the central axis 54 of the beam 22, in particular rotatably
I have. By rotating the prism 52 by 360 °, the laser beam on the structural
The focal point of the user beam 22 draws a closed curve 56, for example, a circle.
In FIG. 5, in contrast to the embodiment shown in FIG.
A beam splitter 60 having a number of movable mirrors 62 is provided.
In the preferred embodiment in FIG. 6, the central axis of the incident laser beam 22 is
It has a turning mirror 72 which can be rotated about its center and which is inclined at 45 ° to this axis.
A beam distributor 70 is provided. The laser beam 22 is turned by the turning mirror 72.
Radially or star-shaped at the beam outlet 16 arranged around the beam distributor 70
Distributed to
Explanation of reference numerals
2,4 structural parts
6 Tightening device
8 Tightening elements
10 lever
12 Laser welding head
13 Laser welding head end face
14 Beam guide device
16 Beam exit
18, 60, 70 beam splitter
20 (swingable) mirror
22 Laser beam
24 focusing optics
26 Collimator
27 Collimator optical element
28, 30 Deflection mirror
32 welding crater
42 lenses
44 plane parallel plate
46 axis of rotation
48 straight line
52 Prism
54 center axis
56 Curve
62 (movable) mirror
72 Turning mirror